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螺栓的疲勞斷裂,如何分析和避免

螺栓在振動(dòng)環(huán)境經(jīng)常出現(xiàn)疲勞斷裂,疲勞斷裂一般都是螺栓松動(dòng)軸向力下降后,殘余預(yù)緊力不夠造成的。螺栓的疲勞松弛或者疲勞斷裂與交變應(yīng)力有關(guān), 應(yīng)力幅是影響預(yù)緊螺栓聯(lián)接副疲勞性能的主要因素之一。


試驗(yàn)結(jié)果表明,受軸向模擬載荷的預(yù)緊螺栓聯(lián)接副,在最小應(yīng)力不變的條件下,應(yīng)力幅越小,則連接副越不易發(fā)生疲勞破壞。今天,法士威就從螺紋連接幅受力分析出發(fā),根據(jù)螺栓與墊板受力和變形協(xié)調(diào)圖,來(lái)分析影響應(yīng)力幅的因素,找出避免螺栓疲勞的途徑,同時(shí)給出螺栓應(yīng)力幅計(jì)算和疲勞極限的校核方式。


01 螺紋聯(lián)接副受力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系


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圖1 a)、b)、c)示出了螺栓的三種線彈性受力狀態(tài)。QP 和 λp 是預(yù)緊力時(shí)對(duì)應(yīng)的螺栓變形伸長(zhǎng)量,λm 為 QP 下的墊板壓縮量,F(xiàn)為軸向試驗(yàn)載荷。


當(dāng)施加F后,螺栓的受力從原來(lái)的 QP 增至 Q,對(duì)應(yīng)的變形增量為Δλ,于是螺栓受拉時(shí),原來(lái)被壓縮的墊板,因螺栓伸長(zhǎng)而被放松,其壓縮變形量也隨之減小到λ'm,此時(shí)墊板壓縮力由QP減至Q'P,Q'P為殘余預(yù)緊力。根據(jù)材料力學(xué)的變形協(xié)調(diào)條件,墊板壓縮變形的減小量 λm -λ'm 應(yīng)等于Δλ,因而在殘余預(yù)緊力Q'P下墊板的壓縮總量λ'm = λm-Δλ。顯然螺栓的受力Q=Q'P+F。


為直觀地表達(dá)上述分析,圖2以幾何方式示出了螺栓與墊板的受力和變形協(xié)調(diào)關(guān)系。螺栓拉伸變形由坐標(biāo)原點(diǎn)OV向右量起,墊板壓縮變形由坐標(biāo)原點(diǎn)Om向左量起。螺栓剛度Cb= tgθV,墊板剛度Cm= tgθm。由圖可見(jiàn)下面四個(gè)等式成立:

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02 應(yīng)力幅的影響因素分析


從受力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系圖中可以看出,當(dāng)連接副所受的試驗(yàn)載荷在0~F之間變化時(shí),則螺栓的總拉力將在QP~Q之間變化。由(6)式可知,在保持預(yù)緊力 QP 不變的條件下,減小螺栓剛度Cb或增大墊板剛度Cm均可達(dá)到減小總拉力Q的變化范圍的目的。


另外,試驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)選用較大的預(yù)緊力對(duì)螺栓聯(lián)接副疲勞性能是有利的。由(5)式可知,當(dāng)QP較大時(shí),可以保證聯(lián)接副有足夠的殘余預(yù)緊力Q'P。


圖3、圖4及圖5分別示出了單獨(dú)降低螺栓剛度Cb,單獨(dú)增大墊板剛度Cm及同時(shí)降低Cb,增大Cm和增大QP時(shí),螺栓的載荷變化情況??梢?jiàn),這些措施均可減小螺栓的應(yīng)力幅,特別是圖5措施下可使應(yīng)力幅有較大的減小,從而可以提高預(yù)緊螺栓聯(lián)接副抗疲勞破壞的能力。

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03 避免螺栓疲勞的途徑


1、預(yù)緊螺栓在軸向疲勞過(guò)程中,承受的總拉力并不是預(yù)緊力和軸向力之和,而是殘余預(yù)緊力Q'P與軸向力F之和。


2、增大墊板剛度,降低螺栓剛度,同時(shí)適當(dāng)增加預(yù)緊力,能減小預(yù)緊螺栓軸向疲勞過(guò)程的應(yīng)力幅,從而提高預(yù)緊螺栓聯(lián)接副抗疲勞破壞的能力。


3、保證足夠的殘余預(yù)緊力是預(yù)緊螺栓聯(lián)接副服役過(guò)程不發(fā)生失效破壞的必要條件。高應(yīng)力區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)試驗(yàn)機(jī)模擬的外載荷大于螺栓靜強(qiáng)度的70%,殘余預(yù)緊力為零時(shí),預(yù)緊螺栓聯(lián)接副在104周次數(shù)量級(jí)即失效破壞。


04 螺栓應(yīng)力幅計(jì)算和疲勞極限


4.1 應(yīng)力幅計(jì)算

額外增加在螺栓上的載荷ΔF在VDI 2230中的稱為軸向增加的螺栓載荷FSA,VDI 2230的極大篇幅就是求解不同夾緊方式和受力狀況下的FSA 。額外增加在螺栓上的載荷ΔF或者FSA除以螺栓的應(yīng)力面積即得到螺栓的應(yīng)力變化范圍,再除以2即得到應(yīng)力幅:

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AS為螺栓的應(yīng)力面積;σa為螺栓上的交變應(yīng)力幅。


外部的交變工作載荷,不管是軸向的外載荷還是彎矩,都會(huì)讓預(yù)緊的螺栓產(chǎn)生交變應(yīng)力變化。上面的公式是理論公式,在實(shí)踐中的螺栓連接分析中,F(xiàn)SA的獲得可依據(jù)夾緊方式和受力狀況按照VDI 2230的指導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算或者通過(guò)CAE輔助分析得到。


4.2 螺栓疲勞極限

4.2.1 對(duì)于螺栓的疲勞極限,可以通過(guò)試驗(yàn)的方式,得到S-N曲線,如圖6所示。當(dāng)螺栓的應(yīng)力幅小于螺栓的疲勞極限時(shí),將永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生疲勞失效。

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4.2.2 VDI 2230給出了應(yīng)力幅計(jì)算公式,在交變循環(huán)次數(shù)ND≥2*104與橫截面積相關(guān)的高強(qiáng)度螺栓的疲勞極限參考值:


螺栓先搓絲后熱處理的疲勞應(yīng)力σASV極限用表示:

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螺栓先熱處理后搓絲的疲勞應(yīng)力σASG極限用表示:

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交變應(yīng)力的安全系數(shù)

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式中σAS是相對(duì)于AS,螺栓疲勞極限的應(yīng)力幅,根據(jù)螺栓的生產(chǎn)工藝過(guò)程選擇σASV還是σASG,σa根據(jù)夾緊方式和受力狀況分別代入σa或者σab。σab是偏心夾緊和負(fù)載下作用在螺栓上的持續(xù)交變應(yīng)力。


如果僅有幾千個(gè)交變循環(huán)(NZ>104)并且應(yīng)力幅度大于工作中出現(xiàn)的疲勞極限,可以用下面的兩個(gè)公式計(jì)算這些交變疲勞極限:


螺栓先搓絲后熱處理的疲勞應(yīng)力σAZSV極限用表示:

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螺栓先熱處理后搓絲的疲勞應(yīng)力σAZSG極限用表示:


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